شبکه های موبایل چگونه کار می کنند؟ (بخش اول)

در این مقاله، کارکرد و انواع شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم 0G، 0.5G، 1G، 2G، 2.5G و 2.7G توصیف و شبکه‌های پرکاربردی چون EDGE، GSM و GPRS واکاوی شده است.

ارتباطات بی‌سیم، یکی‌از فناوری‌های روبه‌رشد عصر حاضر است که با همه‌گیر شدن نسل پنجم از شبکه‌های ارتباطی، بیش از گذشته نمو پیدا می‌کند. ایده‌ی اولیه درمورد تکامل سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم، از اصولی‌ترین دانش‌های موردنیاز برای هر محققی است. بسیاری از کاربران عادی اینترنت و شبکه‌های بی‌سیم نیز، هنوز تصور دقیقی از نحوه‌ی کارکرد این فناوری‌ها، به‌ویژه شبکه‌های تلفن همراه ندارند. در این مقاله، اطلاعات کاملی از انواع شبکه‌‌های موبایلی و طرز کار آن‌ها جمع‌آوری شده است. البته در ابتدا تاریخچه‌ی مختصری را از سیر تکاملی سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم شرح می‌دهیم.

امواج الکترومغناطیسی (EM) مهم‌ترین فاکتور برای پیشرفت ارتباطات بی‌سیم هستند. این‌نوع امواج، از بسامدهای بسیار پایین، یعنی ۳۰ هرتز، تا نورهای مرئی و درنهایت امواج گاما با بسامد ۳۰۰ اگزاهرتز را شامل می‌شوند. دانشمند هلندی، کریستیان هویگنس، اولین فردی بود که در سال ۱۶۷۸ میلادی روی بازتاب نور و تئوری بازتاب کار کرد. تئوری هویگنس نور را موج تصوّر می‌کرد و به خوبی می‌توانست مسائل مربوط‌به طول موج رنگ نور را توجیه کند.

بعدها در سال ۱۸۱۹ میلادی، با دانشی که از ماهیت موجی نور وجود داشت، برای اولین‌بار ارتباطات باسیم تبدیل‌به ارتباطات بی‌سیم شد. در سال ۱۸۳۱ میلادی، فارادی معادلات استنتاجی الکترومغناطیس و امواج را که مکسول پایه‌ریزی کرده بود، اثبات کرد. در سال ۱۸۹۶، هرتز به‌صورت تجربی بازتاب و اشاعه‌ی امواج الکترومغناطیسی را به‌صورت جداگانه در فاصله‌ی چندمتری اعتبارسنجی کرد و مارکونی ارتباط بی‌سیمی را از فاصله‌ی ۳ کیلومتری به‌وجود آورد. تمامی مواردی که در ادامه آماده است، باعث محبوبیت فناوری ارتباط از راه دور شد. جدول زیر، خلاصه‌ای از روند پیشرفت سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم است.

دکل‌های مخابراتی و ایستگاه‌های پایه

پیش از هرگونه بحثی پیرامون شبکه‌های تلفن همراه، لازم است تا طرز کار دکل‌های مخابراتی تشریح شود. برای درک نحوه‌ی عملکرد دکل‌های مخابراتی و ایستگاه‌های پایه، تلفن‌های خانگی بی‌سیم را درنظر بگیرید. همانگونه ‌که از نام این محصول پیدا است، گوشی بی‌سیمی که کاربران با آن راه می‌روند و صحبت می‌کنند، به‌صورت بی‌سیم به ایستگاه پایه‌ی کوچکی متصل و ایستگاه پایه‌ی یادشده نیز ازطریق سیم به خط تلفن وصل شده است.

دراصل دکل‌های مخابراتی و ایستگاه‌های پایه‌ای که خدمات صوتی و انتقال داده‌ها را در دستگاه‌های مختلف امکان‌پذیر می‌کنند، کارکرد مشابهی با تلفن‌های بی‌سیم خانگی دارند. البته پرواضح است که دکل‌های یادشده درمقایسه‌با تلفن‌های بی‌سیم خانگی مقاوم دربرابر شرایط بد آب‌و‌هوایی هستند، محدوده‌ی بزرگتری را پوشش می‌دهند، از صدها هزار دستگاه تلفن همراه پشتیبانی می‌کند، در فرکانس‌های رادیویی متفاوتی کار می‌کنند و به کاربران اجازه می‌دهند تا حین جابه‌جایی از یک ایستگاه پایه به دیگری، حتی هنگام رانندگی در بزرگ‌راه‌ها به شبکه متصل بمانند.

دکل‌ها، سلول‌ها و ساختارهای شش‌ضلعی، عناصر کلیدی برای طراحی و بهره‌برداری از شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم هستند. در یک دنیای بی‌سیم، هر سلول ناحیه‌ی جغرافیایی از یک منطقه است که تحت پوشش یک دکل مخابراتی قرار می‌گیرد. هر ناحیه به‌گونه‌ای انتخاب شده است تا اطمینان حاصل شود هر سلول جداگانه، شبکه‌ی به‌هم‌پیوسته‌ی محکمی بدون نقطه‌ی کور در پوشش شبکه یا هم‌پوشانی غیرضروری ایجاد کند. مهندسان برای پاسخ‌گویی به تقاضا، از ساختار شش‌ضلعی برای طراحی شبکه‌های سلولی و محل دقیق استقرار دکل‌ها استفاده می‌کنند.

کار اصلی دکل مخابراتی، بالا نگه‌داشتن آنتن‌هایی است که فرکانس رادیویی (RF) را از گوشی‌های موبایل و دستگاه‌هایی از این دست دریافت می‌کنند. کابل‌هایی از آنتن‌های مخابراتی خارج و به‌سمت تجهیزات ایستگاه‌های پایه‌ای هدایت می‌شوند که معمولا روی سطح زمین و داخل کابینی مهروموم‌شده از تجهیزات مخابراتی قرار دارند. اجزای ایستگاه پایه شامل دستگاه فرستنده و گیرنده‌، تقویت‌کننده‌های سیگنال، کمباینرها و کنترلرهای سیستم است. دستگاه فرستنده و گیرنده‌، ازطریق آنتن وظیفه‌ی ارسال و دریافت سیگنال‌های رادیویی را برعهده دارد. درواقع، این دستگاه‌ها سیگنال‌ها را بین تلفن‌های همراه و سایر ایستگاه‌های پایه جابه‌جا می‌کنند. در برخی از دکل‌های مخابراتی، به‌جای دستگاه‌های فرستنده‌و‌گیرنده، دیش‌های مخابراتی شبیه‌به طبل وجود دارند که وظیفه‌ی اتصال ایستگاه پایه به دیگر ایستگاه‌ها را برعهده دارند. همچنین تعداد معدودی از این سازه‌ها از فیبر نوری برای ارتباط‌با دیگر ایستگاه‌ها بهره می‌برند.

برای اطمینان از اینکه آنتن‌ها برای پوشش کل منطقه‌ی سلولِ هدف، در ارتفاع کافی قرار دارند، دکل‌های مخابراتی را با ارتفاع ۱۵ تا ۶۰ متر می‌سازند. برج‌های مخابراتی می‌توانند سازه‌ای مستقل همچون تیر آهنی یا چهارچوب‌های مشبک باشند، یا به سازه‌های دیگری همچون چراغ راهنمایی، پل‌ها، تونل‌ها و بیلبوردها ضمیمه شوند. برای تطبیق با مسائل زیبایی‌شناسی جامعه، استتار این‌نوع سازه‌ها روبه‌افزایش است تا شبیه درختان یا پرچم‌ها دیده شوند یا درون سازه‌هایی دیگر همچون ناقوس کلیسا مخفی شوند.

طیف امواج رادیویی، دکل مخابراتی، تجهیزات ایستگاه پایه و دستگاه‌های موبایل کاربران همه‌باهم یک شبکه‌ی دسترسی رادیویی (RAN) را شکل می‌دهند. RAN، پایه‌و‌اساس تمامی سرویس‌ها و اپلیکیشن‌های موبایلی است؛ درست مانند شبکه‌های فیزیکی ساخته‌شده از فیبر نوری، سیم مسی تلفن‌های ثابت و داده‌ها و سرویس‌های تلوزیونی در خانه‌ها و سازمان‌ها. درنهایت می‌توان گفت، RAN زیرساخت قابل‌اعتماد و مستحکمی را از شبکه‌ی ارتباطاتی بی‌سیم ایجاد می‌کند.

شبکه‌های تلفن همراه

هنگامی‌که اپراتورهای تلفن همراه درباره‌ی حرف G صحبت می‌کنند، منظورشان نسل فناوری بی‌سیم است؛ هرنسلی قادر به پشتیبانی از تعداد بیشتری از کاربران است و قابلیت‌های انتقال داده‌ی بهتری را ارائه می‌دهد. در کل فناوری‌های بی‌سیم، در ۵۰ سال گذشته رشد بی‌سابقه‌ای را تجربه کرده‌اند و توانایی بیشتری در انتقال داده دارند. شکل زیر روند رشد نسل‌های مختلف شبکه‌های موبایلی را نشان می‌دهد.

شبکه موبایلی 0G

فناوری 0G که پیش‌تر برای سیستم‌های مخابراتی طراحی شده است، با عنوان سیستم‌های تلفنی و رادیویی همراه نیز شناخته می‌شود. تاریخچه‌ی فناوری یادشده، به پس از جنگ جهانی دوم باز می‌گردد. در آن دوران که خبری از شبکه‌های سلولی نبود، اپراتورهای موبایل تماس‌ها را برقرار می‌کردند و تنها تعداد معدودی از کانال‌های ارتباطی دردسترس بود. این دستگاه‌ها از ویژگی هندآف پشتیبانی نمی‌کردند و درواقع نمی‌توانسند فرکانس کانال‌ها را تغییر دهند. فناوری 0G به دهه‌ی ۱۹۷۰ بازمی‌گردد؛ زمانی‌که خبری از فناوری سلولی تلفن‌های موبایل نبود و فناوری 0G پیش از اختراع تلفن همراه، تنها دستگاه‌هایی همچون تلفن‌های رادیویی داخل اتومبیل‌ها را شامل می‌شد.

سیستم‌های تلفنی و رادیویی همراه، پایه‌ی فناوری سیستم‌های سلولی هستند. سیستم‌های یادشده ، پس از آن لقب 0G یا نسل صفرم را دریافت کردند که نسل اول از شبکه‌ی تلفن بی‌سیم پدید آمد. فناوری‌های به‌کاررفته در 0G شامل PTT (فشار برای صحبت)، MTS (سیستم‌های تلفن موبایل)، IMTS (سیستم‌های بهبودیافته‌ی تلفن موبایل)، AMTS (سیستم‌های پیشرفته‌ی تلفن موبایل)، OLT (مخففی از عبارت نروژی Offentlig Landmobil Telefoni به‌مفهوم تلفن همراه زمینی عمومی) و MTD (عبارتی سوئدی به‌مفهوم سیستم تلفن همراه) است. برای اولین‌بار افراد مشهور، کارشناسان ساخت‌و‌ساز و تجار از فناوری 0G برای ارتباطات صوتی اولیه استفاده می‌کردند.

PPT یا Push to Talk

Push to Talk وسیله‌ی ارتباط فوری است که درحال‌حاضر در سرویس‌های شبکه‌های بی‌سیم سلولی استفاده می‌شود. این فناوری از یک دکمه‌ی دستگاه استفاده می‌کند تا همانند بی‌سیم‌های واکی‌تاکی ابتدا صوت را منتقل کند و سپس با فشردن دکمه، تبدیل‌به گیرنده‌ی امواج شود. PPT، تلفن همراه را از یک حالت کاملا دوسویه که هر دو مخاطب در آن به‌صورت هم‌زمان صدای هم را می‌شنوند، تبدیل‌به حالتی نیمه‌دوسویه می‌کند که در این حالت، تنها یکی از مخاطبان در آن واحد می‌تواند صدای دیگری را دریافت کند.

تمامی شرکت‌های بزرگ مخابراتی، نسخه‌ای از این ویژگی را در شبکه‌های تلفن همراهشان عرضه می‌کنند. نسخه‌های جدید از PPT، که PoC (فشار برای صحبت در شبکه‌های سلولی) نامیده می‌شوند، روی شبکه‌های 2.5G و 3G نیز ارائه می‌شوند.

MTS یا سیستم‌های تلفن موبایل

MTS سیستمی است که پیش از ابداع شبکه‌های سلولی، با بهره‌گیری از امواج رادیویی با فرکانس بسیار بالا (VHF) بین دستگاه موبایل و تلفن‌های ثابت ارتباط برقرار می‌کرد. MTS معادلی از ویژگی رادیوتلفن سرویس‌های تلفن ثابت روی زمین بود.

سرویس MTS، یکی از اولین استانداردهای تلفن همراه در جهان بود. ویژگی یادشده برای برقراری تماس در هر دو جهت از اپراتور کمک می‌گرفت؛ به این معنی که اگر شخصی از تلفن ثابت با گوشی موبایل تماس می‌گرفت، این تماس ابتدا به اپراتور موبایل متصل می‌شد و او تماس را برقرار می‌کرد. به‌همین ترتیب، برای برقراری تماس با خارج از کشور کاربر باید ابتدا از اپراتور درخواست می‌کرد و او پس گرفتن شماره‌ی تماس‌گیرنده و مقصد، اقدام به برقراری تماس می‌کرد.

IMTS یا سیستم‌های بهبودیافته‌ی تلفن موبایل

IMTS سیستمی است که پیش از ابداع شبکه‌های سلولی و پس از سیستم MTS، با بهره‌گیری از امواج رادیویی با فرکانس بسیار بالا (VHF) و امواج رادیویی با بالاترین فرکانس (UHF)، بین دستگاه موبایل و تلفن‌های ثابت ارتباط برقرار می‌کرد. IMTS معادلی از ویژگی رادیوتلفن سرویس‌های تلفن ثابت روی زمین بود.

سیستم IMTS در سال ۱۹۶۴ معرفی شد و به‌عنوان جایگزین سیستم‌های MTS، امکان برقراری تماس مستقیم را فراهم می‌کرد و لازم نبود کاربر ازطریق اپراتور تماس را برقرار کند.

AMTS یا سیستم‌های پیشرفته‌ی تلفن موبایل

سیستم‌های پیشرفته‌ی تلفن موبایل که نباید با سیستم پیشرفته‌ی گوشی موبایل (AMPS) اشتباه گرفته شود، یک روش ارتباط رادیویی برای شبکه 0G بود که عمدتا در سیستم‌های رادیویی حمل‌شدنی ژاپنی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این فناوری همانند نسل پیشین خود، در فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز کار می‌کرد.

Offentlig Landmobil Telefoni یا تلفن همراه زمینی عمومی

OLT، اولین شبکه‌ی زمینی تلفن همراه در نروژ بود. این سیستم در سال ۱۹۶۶ دایر و بعدها در سال ۱۹۹۰ کنار گذاشته شد. OLT در سال ۱۹۸۱ درحدود ۳۰ هزار کاربر موبایل داشت که باعث شده بود این سیستم، به بزرگ‌ترین شبکه‌ی تلفن همراه در جهان تبدیل شود. شبکه‌ی یادشده در باند VHF و فرکانس ۱۶۰ هرتز کار و برای مدولاسیون فرکانس روی ۱۶۰ تا ۱۶۲ مگاهرتز و برای واحد موبایل از فرکانس ۱۶۸ تا ۱۷۰ مگاهرتز استفاده می‌کرد. بسیاری از انواع این فناوری، نیمه‌دوسویه بودند؛ بااین‌حال تعداد معدودی از انواع گران‌قیمت این سرویس، امکان برقراری تماس دوسویه را میسر می‌ساختند.

MTD یا سیستم تلفن همراه

MTD یک سیستم تلفن همراه دستی برای باند فرکانس ۴۵۰ مگاهرتز بود. این شبکه در سال ۱۹۷۱ در سوئد معرفی شد و تا سال 1987 استفاده از آن رواج داشت. شبکه‌ی MTD در اوج خود ۲۰ هزار کاربر داشت و ۷۰۰ نفر به‌عنوان اپراتور در شرکت حامل آن، برای خدمات‌دهی به کاربران مشغول به کار بودند. MTD در دانمارک و نروژ نیز پیاده‌سازی شده بود و امکان رومینگ بین کشورهای حوزه‌ی اسکاندیناوی وجود داشت.

شبکه‌ی موبایلی 0.5G

0.5G مجموعه‌ای از فناوری‌ها با ویژگی‌های بهبودیافته نسبت‌به فناوری‌های 0G است. این سیستم‌های تلفن همراه اولیه، از سیستم‌های رادیوتلفنی که پیش‌تر ابداع شده بود قابل تمیز است؛ زیرا به‌جای اینکه بخشی از یک شبکه‌ی بسته مانند رادیوی پلیس یا سیستم اعزام تاکسی باشد، به‌عنوان سرویس تجاری دردسترس کاربران قرار می‌گرفت که قسمتی از شبکه‌ی تلفن عمومی بود. این تلفن‌های موبایل معمولا روی خودروها و کامیون‌ها قرار می‌گرفتند، ولی تعداد معدودی مدل با ظاهری شبیه‌به کیف دستی نیز تولید شدند. روی خودروها، معمولا دستگاه فرستنده و گیرنده در صندوق عقب نصب می‌شد و قسمت «سر» تلفن موبایل که شامل نمایشگر، گوشی و بخش شماره‌گیر می‌شد، در کنار صندلی راننده جای می‌گرفت. نمونه‌های اولیه از این فناوری عبارت‌اند از:

• اتورادیوپیلین (ARP): در سال ۱۹۷۱ میلادی در کشور فنلاند اختراع شد و عنوان اولین شبکه‌ی تلفن موبایلی تجاری آن کشور را یدک می‌کشید.
• سیستم B-Netz: در سال ۱۹۷۲ میلادی در کشور آلمان اختراع شد و دومین شبکه‌ی تلفن موبایلی تجاری آن کشور بود؛ اما اولین شبکه‌ای بود که برای برقراری تماس، به اپراتور نیازی نداشت.

شبکه‌ی موبایلی 1G

1G، اولین نسل از فناوری گوشی‌های بی‌سیم برپایه‌ی شبکه‌ی سلولی است. درواقع، این فناوری درون گوشی‌های همراه آنالوگ و در سال ۱۹۸۰ ارائه شد. پیش‌تر در سال ۱۹۷۹، شرکت ژاپنی تلفن و تلگراف نیپون (NTT) اولین سیستم سلولی جهان را در توکیو عملیاتی کرده بود. در اروپا، محبوب‌ترین سیستم‌های آنالوگ، تلفن همراه نوردیک (NMT) و سیستم ارتباطات با دسترسی کامل (TACS) بود و انواع دیگر از سیستم‌های یادشده، در دهه‌ی ۱۹۸۰ در سراسر این قاره معرفی شدند.

تمامی سیستم‌ها، قابلیت هندآف و رومینگ را داشتند؛ ولی این شبکه‌های سلولی، نمی‌توانستند بین کشورها ارتباط صوتی ایجاد کنند؛ چنین موردی بزرگ‌ترین نقص شبکه‌های 1G به‌شمار می‌رفت. نسل اول از شبکه‌های تلفن همراه، ظرفیت پایینی داشت، هندآف قابل اعتمادی نداشت، کمبود لینک‌های صوتی در آن بیداد می‌کرد و از آن‌جایی که تماس‌های صوتی در دکل‌های رادیویی پخش می‌شد، امکان شنود مکالمه وجود داشت و امنیت شبکه بسیار پایین بود.

در ایالات متحده، اولین استانداری که برای فناوری 1G ارائه شد، سیستم پیشرفته‌ی گوشی موبایل (AMPS) بود. کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC)، سیستم AMPS را با پهنای باند ۴۰ مگاهرتزی و محدوده‌ی فرکانس ۸۰۰ تا ۹۰۰ مگاهرتز تعریف کرده بود. در سال ۱۹۸۸ میلادی، ۱۰ مگاهرتز تحت عنوان طیف گسترده (ES) به پهنای باند سیستم یادشده افزوده شد. در ایتالیا فناوری 1G با استاندارد RTIM، در انگلیس تحت سیستم YACS، در فرانسه با فناوری RadioComm 2000 و در آلمان غربی، پرتقال و آفریقای جنوبی با استاندارد ارتباط از راه دور C-450 استفاده می‌شد.

فناوری 1G جایگزینی برای نسل صفرم از شبکه‌های ارتباطی بوده و در تلفن‌های رادیویی همراه استفاده می‌شد. در این نسل از شبکه‌های ارتباطی، فناوری‌هایی همچون PTT، MTS، IMTS و AMTS گنجانده شده بود. آن‌چه که در زیر آمده است، مشخصات و ویژگی‌های کلیدی فناوری 1G را نشان می‎‌دهد:

• در دهه‌ی ۱۹۸۰ میلادی توسعه یافت و در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ به تکامل رسید.
• فناوری 1G، سیستم آنالوگ قدیمی بود که از تلفن‌های همراه سلولی نسل اول پشتیبانی و سرعت انتقال داده‌ی ۲٫۴ کیلوبیت‌برثانیه را مهیا می‌کرد.
• استاندارد AMPS برای اولین‌بار در ایالات متحده ارائه شد و نشان‌دهنده‌ی تمامی ویژگی‌های نسل اول شبکه‌های ارتباطی است.
• اجازه‌ی برقراری تماس با خارج از کشور ارائه‌دهنده‌ی سرویس را به کاربران نمی‌داد.

نسل دوم از شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم از 2G تا 2.7G

فناوری 2G دومین نسل از شبکه‌های ارتباطی موبایل و برپایه‌ی فناوری‌های دیجیتال است. این فناوری در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی معرفی شد و درواقع این کشور فنلاند بود که برای اولین‌بار در سال ۱۹۹۲ میلادی فناوری یادشده را عرضه کرد. فناوری 2G خدماتی مانند پیام متنی (SMS)، پیام‌های تصویری و پیام‌های چندرسانه‌ای (MMS) را ارائه می‌کند. این سیستم امنیت بیشتری را هم برای فرستنده و هم گیرنده‌ی تماس و پیام فراهم می‌کند. در فناوری یادشده، تمامی پیام‌های متنی به‌صورت دیجیتالی رمزگذاری می‌شوند؛ درنتیجه تنها فرد گیرنده قادر به دریافت و خواندن پیام‌ها است.

سیستم 2G از فناوری‌های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology)، همچون TDMA و CDMA استفاده می‌کند. TDMA با تقسیم سیگنال‌ها به بازه‌های زمانی کوتاه، امکان استفاده‌ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می‌کند و درهمین‌حال CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می‌دهد تا کاربران به‌صورت چندسویه باهم ارتباط برقرار کنند. سیستم TDMA، فناوری‌های GSM، PDC، iDEN و iS-136 را شامل می‌شود. سیستم CDMA نیز از فناوری IS-95 استفاده می‌کند.

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات همراه دراصل از اروپا منشا گرفته و تحسین‌برانگیزترین استاندارد در بین تمامی فناوری‌های ارتباطات همراه است و در بیش از ۲۱۲ کشور جهان استفاده می‌شود. استاندارد یادشده، رومینگ بین‌الملل را بین اپراتورهای تلفن همراه بسیار رایج کرده و باعث شده است کاربران در هر بخشی از جهان قادر به استفاده از گوشی‌های موبایلشان باشند. GSM برای ایجاد ارتباطات چندسویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می‌کند. GSM نه‌تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده‌ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت‌برثانیه منتقل می‌کند. گفتنی است در ایالات متحده، سازمان FCC طیف موجی جدیدی را در فرکانس ۱۹۰۰ مگاهرتز برای این سیستم اختصاص داده است.

GSM از زمانی‌که ابداع شده، به‌طور مداوم بهبود یافته است تا خدمات بهتری را در بازار ارائه کند. فناوری‌های جدیدتر براساس سیستم اولیه‌ی GSM توسعه یافته‌اند تا بعدها تبدیل‌به سیستم‌های پیشرفته‌تری همچون نسل 2.5G از شبکه‌های تلفن همراه شوند.

برای درک بهتر فناوری GSM لازم است تا مفاهیمی همچون شبکه‌ی سوئیچینگ مدار (Circuit switching)، سوئیچینگ بسته (Packet switching)، شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN) و تبادل‌کننده‌ی تلفن توضیح داده شود. تبادل‌کننده‌ی تلفن یا سوئیچ تلفن، یک سیستم ارتباطی است که در شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN) یا سازمان‌های بزرگ استفاده می‌شود (به‌دلیل درهم‌تنیدگی مطالب، بعدتر توضیحات لازم در مورد PSTN داده می‌شود). این فناوری، خطوط تلفن مشترکین یا مدارهای مجازی سیستم‌های دیجیتال را برای برقراری تماس بین مشترکین به‌هم وصل می‌کند. پیش‌تر وظیفه‌ی تبادل‌کننده‌ی تلفن را اپراتورهای انسانی برعهده داشتند.

درمورد شبکه‌ی سوئیچ‌شده‌ی مداری، بهترین مثال شبکه‌ی تلفنی اولیه‌ی آنالوگ است. هنگام برقراری تماس از تلفنی به تلفن دیگر، سوئیچ‌هایی در سیستم تبادل‌کننده‌ی تلفن، مدار سیمی یک‌پارچه‌ای را بین دو تلفن و تا پایان مکالمه شکل می‌دهند؛ این روند، سوئیچینگ مدار نامیده می‌شود. در این سیستم، تنها اندکی تأخیر در حین برقراری اتصال به‌وجود می‌آید. کاربران دیگر هیچ‌گاه نمی‌توانند چنین مدارهایی را مختل کنند؛ زیرا مدار تا زمان آزاد‌شدن و ایجاد اتصال جدید، از هرگونه استفاده‌ی دیگر تماس‌گیرنده‌ها مصون است.

سوئیچینگ بسته، روشی برای گروه‌بندی داده‌ها داخل بسته‌ها هنگام انتقال از یک شبکه‌ی دیجیتال است. بسته‌ها از هدِر و پِی‌لود ساخته شده‌اند. در مبحث فناوری اطلاعات، هر هدر به داده‌ی تکمیلی اشاره دارد که در ابتدای بلاک داده‌ی در حال ذخیره یا انتقال قرار دارد. هنگام انتقال داده، داده‌ای که پس از هدر منتقل می‌شود، پی‌لود نام دارد. سخت‌افزار شبکه‌ای، داده‌ی درون هدر را برای هدایت بسته به مقصدی استفاده می‌کند که پی‌لود در آن استخراج (extract) شده و توسط اپلیکیشن استفاده می‌شود. سوئیچینگ بسته، اساس اصلی ارتباطات داده در شبکه‌های رایانه‌ای سراسر جهان است. تفاوت سوئیچینگ مدار و سوئیچینگ بسته در جدول زیر آمده است:

توصیفی‌که در ابتدا برای سیستم GSM به‌کار برده می‌شد، یک شبکه‌ی دیجیتال سوئیچ‌شده در مدار با قابلیت مکالمه‌ی تلفنی کاملا دوسویه بود. این تعریف با گذشت زمان و ابتدا، اضافه‌شدن ویژگی انتقال داده‌های سوئیچ‌شده در مدار و سپس انتقال داده‌های بسته‌ای به‌کمک سرویس عمومی بسته‌های رادیویی (GPRS) و سرعت داده‌ی افزایش‌یافته برای تکامل GSM یا EDGE، ارتباطات داده را نیز شامل شد. GSM دارای چندین بخش گسسته است.ساختار این شبکه، مشتق‌شده در چندین بخش جداگانه است:

• زیرسیستم ایستگاه پایه: ایستگاه‌های پایه و کنترلرهای آن‌ها
• شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ: بخشی از شبکه‌ی GSM که به شبکه‌ی ثابت شباهت دارد و گاهی‌اوقات تنها با نام شبکه‌ی اصلی خوانده می‌شود.
• شبکه‌ی اصلی GPRS: بخشی اختیاری است که امکان اتصال به اینترنت بسته‌محور را فراهم می‌کند
• سیستم پشتیبانی عملیات: وظیفه‌ی نگه‌داری شبکه را برعهده دارد.

زیرسیستم ایستگاه پایه (BSS) بخشی از شبکه‌ی تلفن سلولی سنتی است که مسئول رسیدگی به ترافیک داده و سیگنال‌دهی بین گوشی‌های موبایل و شبکه‌ی اصلی را برعهده دارد. درواقع، BSS کانال‌های مکالمه‌ای را کدگذاری می‌کند، کانال‌های رادیویی را به گوشی‌های موبایل اختصاص می‌دهد، پیجینگ می‌کند، دریافت و انتقال سیگنال ازطریق رابط هوایی (آنتن‌ها) را برعهده دارد و وظایف متعدد دیگری را دررابطه‌با شبکه‌ی رادیویی انجام می‌دهد.

برای توصیف شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ، ابتدا لازم است تا با مفهوم شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN)، رومینگ و mobility management آشنا شوید. PSTN، مجموعه‌ای از شبکه‌های تلفنی سوئیچ‌شده‌ی مداری است که توسط اپراتورهای ملی، منطقه‌ای یا محلی اداره می‌شود و زیرساخت‌ها و خدمات ارتباطات عمومی را ارائه می‌دهد. PSTN شامل خطوط تلفن، کابل‌های فیبر نوری، لینک‌های انتقال ماکروویو، شبکه‌ی سلولی، ارتباطات ماهواره‌ای و کابل‌های تلفن زیر دریا است. تمامی این موارد، توسط مراکز تبادل‌کننده‌ی تلفن که پیش‌تر نیز اشاره شد به‌هم متصل هستند و درنتیجه‌ی این اتصال، می‌توانند با هم ارتباط برقرار کنند. شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی، درابتدا تنها تلفن‌های ثابت را پشتیبانی می‌کرد؛ ولی حالا کاملا دیجیتالی است و شبکه‌های موبایل و سایر شبکه‌ها را شامل می‌شود.

پیش‌تر عملکرد دکل‌های مخابراتی و ایستگاه‌های پایه توضیح داده شد. هنگامی‌که تلفن همراه، خارج از شعاع پوشش شبکه‌ی خانگی باشد، قابلیت رومینگ کمک می‌کند تا این دستگاه با بهره‌گیری از ایستگاه پایه‌ی شبکه‌ی ارتباطاتی دیگری، همچنان متصل باقی بماند. Mobility management نیز یکی‌از مهم‌ترین کارکردهای شبکه‌ی GSM است. هدف تابع Mobility management، ردیابی کاربران موبایل برای ایجاد امکان تماس، ارسال پیام متنی و سرویس‌های دیگر تلفن همراه است.

شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ (NSS) یا شبکه‌ی اصلی GSM، یکی از مولفه‌های سیستم GSM است که تماس صوتی و توابع Mobility management برای گوشی‌های موبایلی که روی شبکه‌ی ایستگاه پایه رومینگ می‌شوند را ایجاد می‌کند. این شبکه را اپراتورهای موبایل توسعه داده‌اند. NSS کمک می‌کند دستگاه‌های موبایل و در شبکه‌ی گسترده‌ترِ تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN)، تلفن‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

NSS در ابتدا برای شبکه‌های سوئیچ‌شده در مدار طراحی شده بود و در خدمات سنتی GSM همانند مکالمه، پیام متنی و داده‌های سوئیچ‌شده در مدار به‌کار می‌رفت. بخش یادشده بعدها، با معماری دیگری توسعه یافت تا خدمات GPRS را نیز ارائه دهد.

شبکه‌ی موبایلی 2.5G یا سرویس عمومی بسته‌های رادیویی (GPRS)

GPRS سیستم توسعه‌یافته‌ای از شبکه‌های 2G موجود، برای ایجاد قابلیت سرویس‌های بسته‌محور، هم‌زمان با افزایش سرعت و نرخ داده‌های این شبکه‌ها است. اصطلاح نسل دو و نیم (2.5G) برای توصیف سیستم‌های 2G به‌کار می‌رود که علاوه‌بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه‌ی سوئیچینگ بسته (Packet switching) استفاده می‌کنند. البته اصلاح 2.5G کاربرد رسمی ندارد. GPRS با استفاده از پایگاه داده‌ی HLR، VLR و AuC و فناوری‌های HSCSD، GPRS و EDGE داده‌ها را با سرعت ۵۶ تا ۳۸۴ کیلوبیت‌برثانیه منتقل می‌کند.

فناوری 2.5G خدماتی همچون دسترسی به پروتکل کاربردی بی‌سیم (WAP) و سرویس MMS را فراهم کرده و برای ارتباطات اینترنتی، سرویس‌هایی مانند ایمیل و شبکه‌ی بی‌سیم جهانی وب (WWW) را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. هزینه‌ی انتقال داده در سیستم GPRS معمولا به‌ازای هر مگابایت از ترافیک منتقل‌شده محاسبه می‌شود؛ درحالی‌که قیمت ارتباطات داده به‌وسیله‌ی روش سنتی سوئیچینگ مداری، به‌ازای هر دقیقه از اتصال به شبکه است؛ حال اینکه کاربر از سیستم استفاده کند یا خیر.

 HLR ،VLR و AuC

HLR یا Home Location Register، یک پایگاه داده‌ی مرکزی شامل جزئیات هر کاربر موبایلی است که به شبکه‌ی GSM دسترسی دارد. در هر شبکه‌ی عمومی تلفن همراه، ممکن است چند HLR به‌صورت فیزیکی در محل‌های مختلف شبکه‌ی PLMN تعبیه شوند. شبکه‌ی PLMN ترکیبی از تمامی نسل‌های شبکه‌های ارتباطی است که هر اپراتور ارائه می‌دهد؛ PLMN درواقع همان PSTN بدون تلفن‌های ثابت است. VLR یا Visitor Location Register نیز پایگاه داده‌ای برای ایستگاه‌های موبایل (MS) است و اطلاعات را به مراکز تبادل‌کننده‌ی تلفن ارسال می‌کند. 

AuC یا مرکز احراز هویت (Authentication Center)، تابعی برای اعتبارسنجی هر سیم‌کارتی است که معمولا هنگام روشن‌شدن گوشی، سعی دارد به شبکه‌ی مرکزی GSM متصل شود. درصورت موفقیت‎‌آمیز بودن اعتبارسنجی، اطلاعات سیم‌کارت و کاربر آن در پایگاه داده‌ی HLR ذخیره می‌شود. همچنین یک کلید رمزگذاری نیز تولید می‌شود که متعاقباً برای رمزگذاری کلیه‌ی ارتباطات بی‌سیم (مکالمه، پیام متنی و مواردی از این‌دست) بین تلفن همراه و شبکه‌ی مرکزی GSM استفاده می‌شود.

شبکه‌ی تلفن همراه 2.75G یا EDGE (سرعت داده‌ی افزایش‌یافته برای تکامل GSM)

شبکه‌ی GPRS با معرفی رمزگذاری 8PSK به شبکه‌های EDGE تکامل یافت. EGPRS و IMT-SC، فناوری‌های دیجیتال تلفن همراهی بودند که کمک کردند سرعت انتقال داده افزایش یافته و سیستم GSM استاندارد توسعه یابد. فناوری EDGE از آغاز سال ۲۰۰۳ میلادی، درابتدا توسط اپراتور AT & T در ایالات متحده روی سیستم GSM سوار شد.  شرکت‌های دخیل در پروژه‌ی 3GPP بعدها شبکه‌ی یادشده را به‌عنوان بخشی از سیستم GSM استانداردسازی کردند و ظرفیت بالقوه‌ی EDGE‌ را تا سه‌برابر شبکه‌های GSM و GPRS افزایش دادند.

هما‌نگونه که پیش‌تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می‌کند که با تقسیم سیگنال‌ها به بازه‌های زمانی کوتاه، امکان استفاده‌ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می‌کند. حال به‌لطف روش‌های پیچیده‌تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه‌ی EDGE در بازه‌های زمانی کوتاه مشابه‌با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت‌برثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه‌ای توسعه‌یافته از GSM است، ولی اجازه می‌دهد تا انتقال سریع‌تر و جمع‌وجورتری از داده‌ها و اطلاعات به‌وجود آید. همچنین شبکه‌ی EDGE، که حامل منفرد یا IMT-SC نیز نامیده می‌شود، یک فناوری رادیویی است و تاحدودی، بخشی از نسل سوم شبکه‌های ارتباطی به‌حساب می‌آید. فناوری EDGE به‌دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر برای حمل داده‌های سوئیچ مدار و سوئیچ بسته، نسبت‌به GSM خواهان بیشتری دارد.

درمقایسه‌با GPRS، فناوری EDGE داده‌ها را در زمان کمتری منتقل می‌کند. برای مثال، یک فایل متنی ۴۰ کیلوبایتی در شبکه‌ی EDGE در عرض دو ثانیه منتقل می‌شود، حال آن‌که GPRS همان فایل را در ۶ ثانیه انتقال می‌دهد. بزرگ‌ترین مزیت فناوری EDGE این است که نیازی به صرف هزینه‌ی اضافی یا هیچ سخت‌افزار و نرم‌افزار دیگری برای استفاده از آن وجود ندارد. درواقع گوشی‌هایی که از سیستم GSM استفاده می‌کنند، فناوری EDGE را نیز پشتیبانی خواهند کرد.

جمع‌بندی

تا به این قسمت از مقاله، توضیح داده شد که دکل‌های مخابراتی چگونه سیگنال‌های تلفن همراه را ردیابی و دریافت می‌کنند، چگونه بین شبکه‌ی PLMN و PSTN و دستگاه‌های تلفن همراه ارتباط برقرار می‌کنند و در نهایت چگونه داده‌ها را جابه‌جا می‌کنند. کارکرد و انواع شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم 0G، 0.5G، 1G، 2G، 2.5G و 2.7G توصیف و شبکه‌های پرکاربردی چون EDGE، GSM و GPRS واکاوی شد. دقت کنید که حجم انبوه شبکه‌های موبایلی و انواع فناوری‌های مختص‌به هر کشور، سبب شد تا بسیاری از اصطلاحات خلاصه‌وار توضیح داده شود و از توصیف برخی‌از فناوری‌ها و موارد حاشیه‌ای خودداری شود. در بخش دوم از مقاله، شبکه‌های 3G، 3.5G، 3.7G، 4G و 5G بررسی خواهند شد و مقایسه‌ی جامعی از تمامی این فناوری‌ها خواهیم داشت.